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太陽圈

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圖顯示自2012年8月起,航海家1號檢測到的太陽風顆粒減少了。

太陽圈(heliosphere)是太陽所能支配或控制的太空區域。太陽圈的邊緣是一個磁性氣狀泡,並且遠遠的超出冥王星之外。從太陽"吹"出的電漿,也就是所謂的太陽風,創建和維護著這個鼓起的泡沫,並且抵抗來自銀河系的氫氣和氦氣,也就是外面的星際物質,滲入的壓力。太陽風從太陽向外流動,直到遭遇到終端震波,然後在那兒突然的減速。航海家太空船積極的探測太陽圈的邊界,穿越過震波和進入日鞘,這是要到達太陽圈最外層的邊緣,稱為日球層頂的過渡區。當太陽在空間中移動時,太陽圈的整體形狀是由星際物質控制的,它似乎不是一個完美的球形[1]。以有限的資料用於未探勘過的自然界[2],已經推導出許多理論的架結構。

在2013年9月12日,NASA宣布航海家一號已經在2012年8月25日穿過太陽圈,當時它測量到的電漿密度突然增加了40倍[3]。因為日鞘標誌著太陽風和其餘銀河系的一種邊界,可以說航海家1號已經離開太陽系,抵達星際空間

摘要[编辑]

星際邊界探測器(IBEX)的高能中性原子圖。創建者:NASA / 金石太空飛行中心科學的具體化工作室(Scientific Visualization Studio)。

除了局部地區鄰近的障礙,像是行星彗星,太陽圈內的物質都是自太陽發射出來的,然而宇宙射線高能中性原子可以從外面滲入。起源於極端高溫的日冕表面,太陽風中的微粒達到逃逸速度,以每秒300至800公里(時速67萬至179萬英里或100萬至290萬公里)向外流[4]。當它們開始與星際物質進行交互作用時,其速度減慢,終至完全停止。在太陽風低於音速的點稱為終端震波;在它穿越日鞘時速度繼續減慢並導引至稱為日球層頂的邊界,在那兒太陽風與星際物質的壓力達到平衡。航海家一號在2004年橫越終端震波[5],而航海家二號在2007年橫越終端震波[1]

它被認為在日鞘之外有弓形震波,但來自星際邊界探測器的資料顯示太陽在星際物質中移動的速度太低,不會形成弓形震波[6],它可能只是較溫和的"弓形波"[7]。航海家的資料導出日鞘有"磁性泡泡"和停滯區的新理論[8][9]

航海家一號在2010年檢測到日鞘內的停滯區大約開始於113天文單位[8],太陽風的速度在那兒降至0,磁場強度倍增,來自銀河系的高能電子增加了100倍[8],在2012年5月,位於120AU之處開始,航海家一號檢測到宇宙射線突然增加,這是接近日球層頂的跡象[10]。在2012年12月,NASA宣布航海家一號在2012年8月,在距離太陽122AU之處,進入一個新的區域,它被稱為"磁公路",這是仍然受到太陽影響,但有一些顯著的差異的區域[5]。在2013年的夏天,NASA宣布航海家一號已經在2012年8月25日進入星際空間[11]

卡西尼號星際邊界探測器(IBEX)的資料在2009年挑戰了"日球層尾"(heliotail)的理論[12][13],在2013年7月,IBEX的結果顯示在太陽系的太陽圈有4條分裂的尾[14]

太陽風[编辑]

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日冕物質拋射將物質送入太陽圈內。

太陽風中包含的微粒有來自日冕離子和由微粒攜帶的場,特別是磁場。當太陽以大約27天的週期自轉時,磁場也跟隨著太陽風纏繞成螺旋線。太陽磁場的變化也隨著太陽風向外傳送,並且在地球自己的磁氣層內造成地磁風暴

在2005年3月,裝置在SOHO卫星上的太陽風各向異性儀(SWAN)的報告顯示,原本應該被太陽風的微粒填滿的太陽圈,藉以阻擋來自太陽系外的星際介質,在周圍的區域已經有星際介質滲入,而且可能在銀河系區域性的磁場作用下產生了變形,成為非軸對稱的形狀[15]

結構[编辑]

太陽圈電流片[编辑]

伸展至木星軌道外的太陽圈電流片。

太陽圈電流片是轉動的太陽磁場在太陽圈內創造出來的漣漪,被認為是太陽系內最大的結構。它伸展在太陽圈中,類似芭蕾舞的女舞者舞動著的裙襬[16]

外圍的結構[编辑]

在對數尺度下向外延伸的太陽系,顯示出太陽圈、歐特雲半人馬座α

太陽圈的外圍結構取決於太陽風和星際空間風的作用。太陽風由太陽的表面向四面八方流出,在地球附近的速度大約是每秒數百公里(大約是時速一百萬英里)。在遠離太陽的某個距離上,至少超越過海王星的軌道,這股超音速的氣流必然會減速並遭遇到星際物質。在這兒有幾個階段將發生:

  • 太陽風在太陽系內以超音速的速度向外傳送。在终端震波處,一種停滯的震波,太陽風的速度降低至音速(大約340米/秒)之下,成為次音速
  • 一旦低至次音速,太陽風也許會受到周圍的星際物質流影響:壓力導致太陽風在太陽後方形成像彗星的尾巴,這個區域稱為日鞘(heliosheath)。然而,2009年的科學結果顯示這種模型是不正確的[12][13]。截至2012年,它被認為是充滿了磁性泡泡的泡沫[17]
  • 日鞘的外層表面,也就是太陽圈與星際物質遭遇的表面,稱為日球層頂。這是整個太陽圈的邊緣,2009年的科學研究結果調整了這個模型[12][13]
  • 理論上,當太陽在環繞銀河中心的軌道上運轉時,日球層頂會在星際物質中造成湍流。在日球層頂的外面,可能會有一個造成壓力增加以抵抗星際物質的湍流區域。然而,太陽風相對於星際物質的速度可能太低,還不足以形成弓形震波[6]

終端震波[编辑]

在洗臉盆的終端震波。

終端震波是在太陽圈內的太陽風因為與當地的星際物質交互作用,使速度降至次音速的點(相對於太陽)。這造成壓縮、加熱、和磁場中的變化。太陽系的終端震波被認為在距離太陽75至90天文單位的距離上[18]航海家一號在2004年通過太陽的終端震波,隨後航海家二號在2007年也通過了[19][20][21] [22][23][3] [24][1]

震波是因為從太陽輻射出來的太陽風微粒速度大約是每秒400公里,而聲音的速度(在星際物質)大約是每秒100公里(正確的速度與密度相關,不能忽略其影響)。星際物質的密度雖然很低,不過它的壓力是個恆定的常數;太陽風的壓力則與太陽距離平方成反比的減弱。當距離太陽足夠遠的時候,星際物質的壓力變得足以讓太陽風的速度降低至音速之下,這就會造成震波


其它形式的終端激波能在地球的系統內看見,或許最容易觀察到的就是流水進入水槽中的拍打水槽底部造成的水的躍遷(Hydraulic jump)。在擊中水槽的底部時形成淺的水盤,但水的流速高於該處的波速,於是迅速的分流使水滴濺起(類似於稀薄的、超音速的太陽風)。在淺盤的周圍,形成激波前緣或水牆,在激波前緣之外,水的運動速度低於該處的波速(類似於次音速的星際介質)。

從太陽再往外,跟隨在終端震波後的是太陽層頂(Heliopause),是太陽風的微粒因星際介質而停滯不前之處,然後來自星際介質的弓形震波通過這些微粒就不再會活躍了。

在2005年5月美國地球物理聯合會的會議上,艾登·史東博士以航海家1號太空船在2004年12月,距離太陽94天文單位處磁場讀數的變化做為證據,證明它通過了終端震波。相對的,航海家2號在2006年5月,距離太陽只有76天文單位處,開始偵測到返回太陽系的微粒。這暗示了太陽層頂的外形可能是不規則的,在北半球是像外凸起的,而南半球則受到像內的擠壓。[25]

星際邊界探險號(IBEX)任務將企圖收集更多太陽系的終端震波資料。

日鞘[编辑]

日鞘是太陽圈的終端震波外面的區域,太陽風在此處因為與星際介質的交互作用,因而減速、壓縮和產生湍流。此處與太陽最接近的距離大約在80至100天文單位;然而,日鞘的形狀在空間中像彗星的彗髮,尾跡在相對於太陽運動的路徑上,會比朝向太陽運動的方向長了數倍。在它的迎風面,厚度估計在10至100天文單位之間。[26]航海家1號航海家2號目前的任務就包括對日鞘的研究。

在2005年5月,NASA宣稱航海家1號已經在2004年12月,距離太陽94天文單位,進入日鞘。稍早的報告,在2002年8月(距離85天文單位)現在已經被認為是不成熟的看法。

太陽層頂[编辑]

太陽層頂是太陽圈和太陽系外的星際介質的邊界。當太陽風接近太陽層頂,他的速度突然減緩並形成震波,太陽風的終端震波

太陽層頂是來自太陽太陽風受到星際介質阻擋而停止之處;此時太陽風的強度不足以推擠開來自周圍恆星的恆星風。他經常被認為是太陽系最外面的邊界。

假說[编辑]

根據一種假說[27],認為在太陽層頂和弓形震波之間存在著熱的氫氣,稱為氫牆。這道牆是星際介質與太陽圈邊緣互動的區域。

另外的假說則認為太陽層頂在太陽系朝銀河系內運動的方向上比較小。它也許會隨著太陽風的速度和所在之處的星際介質密度而變化;並確定是遠在海王星軌道之外。現仍在執行任務的航海家1號航海家2號太空船,仍在研究終端震波、日鞘和太陽層頂。至今,航海家1號到達了終端震波,而根據NASA的報告,航海家2號也在2006年5月23至24日之間接近了。[28]這兩個任務也被期望最後能抵達太陽層頂。與此同時,預定在2008年發射的星際邊界探險號(IBEX)任務,企圖在兩年內取得太陽層頂的影像。

當太陽散發出的微粒碰到星際介質時,它們減速並釋放出部分的能量時,許多微粒堆積和圍繞在太陽層頂的附近。它們的負加速度和高能量創造了震波。

另一種可供選擇的定義是:太陽層頂是太陽系磁場磁層頂和銀河系的電漿流交會之處。

太空船的探測[编辑]

日鞘中的旅行者1号。

精確的日鞘形狀和距離迄今仍不能決定,行星際太空船,像先驱者10号先驱者11号旅行者1号旅行者2号都朝向太陽系的邊緣前進,最終都將穿越日球層頂。

在2005年5月,航海家一號被宣佈已經在2004年12月,在85天文單位的距離上越過終端震波進入日鞘。在相對方向上的航海家二號,在2006年5月當她距離太陽只有76天文單位時,因為偵測到返回的微粒,也被認為越過了終端震波。這暗示太陽圈的形狀也許是不規則的,在太陽的北半球向外凸起,而南半球被向內擠壓。[29]

藝術家想像下,在長蛇座 R的弓形激波。

相關條目[编辑]

註解[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Voyager 2 Proves Solar System Is Squashed NASA.gov #2007-12-10
  2. ^ J. Matson - Voyager 1′s Whereabouts: No News, but Plenty of Noise (2013) - Scientific American
  3. ^ 3.0 3.1 NASA Spacecraft Embarks on Historic Journey Into Interstellar Space (Sept. 2013)
  4. ^ The Solar Wind
  5. ^ 5.0 5.1 NASA Voyager 1 Encounters New Region in Deep Space
  6. ^ 6.0 6.1 New Interstellar Boundary Explorer data show heliosphere's long-theorized bow shock does not exist, Phys.org, May 10, 2012 [2012-02-11] 
  7. ^ G. P. Zank, et al. - HELIOSPHERIC STRUCTURE: THE BOW WAVE AND THE HYDROGEN WALL (2013)
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 NASA's Voyager Hits New Region at Solar System Edge 12.05.11
  9. ^ NASA 2011
  10. ^ NASA = Data From NASA's Voyager 1 Point to Interstellar Future 06.14.12
  11. ^ NASA Spacecraft Embarks on Historic Journey Into Interstellar Space
  12. ^ 引用错误:无效<ref>标签;未为name属性为jhopkins的引用提供文字
  13. ^ 引用错误:无效<ref>标签;未为name属性为ibex09的引用提供文字
  14. ^ NASA’s IBEX Provides First View Of the Solar System’s Tail'
  15. ^ The Distortion of the Heliosphere: Our Interstellar Magnetic Compass - ESA news 2005.03.18
  16. ^ Mursula, K.; Hiltula, T.,. Bashful ballerina: Southward shifted heliospheric current sheet. Geophysical Research Letters. 2003, 30 (22): 2135. Bibcode:2003GeoRL..30vSSC2M. doi:10.1029/2003GL018201. 
  17. ^ 引用错误:无效<ref>标签;未为name属性为surprise的引用提供文字
  18. ^ Nemiroff, R.; Bonnell, J. The Sun's Heliosphere & Heliopause. Astronomy Picture of the Day. June 24, 2002 [2007-05-25]. 
  19. ^ MIT instrument finds surprises at solar system's edge. Massachusetts Institute of Technology. 2007-12-10 [2010-08-20]. 
  20. ^ Steigerwald, Bill. Voyager Enters Solar System's Final Frontier. American Astronomical Society. May 24, 2005 [2007-05-25]. 
  21. ^ Voyager 2 Proves Solar System Is Squashed. Jet Propulsion Laboratory. December 10, 2007 [2007-05-25]. 
  22. ^ Donald A. Gurnett. Voyager Termination Shock. Department of Physics and Astronomy (University of Iowa). 1 June 2005 [2008-02-06]. 
  23. ^ Celeste Biever. Voyager 1 reaches the edge of the solar system. NewScientist. 25 May 2005 [2008-02-06]. 
  24. ^ David Shiga. Voyager 2 probe reaches solar system boundary. NewScientist. 10 December 2007 [2008-02-06]. 
  25. ^ Than, Ker. Voyager II detects solar system's edge. CNN. 2006-05-24 [2007-05-25]. 
  26. ^ Brandt, Pontus. Imaging of the Heliospheric Boundary. NASA Advisory Council Workshop on Science Associated with the Lunar Exploration Architecture: White Papers (PDF). Tempe, Arizona: Lunar and Planetary Institute. 2007-02-27 to 2007-0302 [2007-05-25]. 
  27. ^ Wood, B. E.; Alexander, W. R.; Linsky, J. L. The Properties of the Local Interstellar Medium and the Interaction of the Stellar Winds of \epsilon Indi and \lambda Andromedae with the Interstellar Environment. American Astronomical Society. 2006-07-13 [2007-05-25]. 
  28. ^ Steigerwald, Bill. Voyager Enters Solar System's Final Frontier. American Astronomical Society. 2005-05-24 [2007-05-25]. 
  29. ^ Voyager II detects solar system's edge - CNN.com

參考資料與延伸讀物[编辑]

外部鏈結[编辑]